автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Обоснование и разработка приводов с клиноременной передачей для систем энергоснабжения вагонов

005006313

Самошкин Олег Сергеевич

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРИВОДОВ С КЛИНОРЕМЕННОИ ПЕРЕДАЧЕЙ ДЛЯ СИСТЕМ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ВАГОНОВ.

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 ДЕИ 2011

Санкт-Петербург 2011г.

005006313

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Чурков Николай Александрович Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится 28 декабря 2011г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д218.008.05 при Петербургском государственном университете путей сообщения по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр-кт, 9, ауд. 5-407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петербургского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан 28 ноября 2011г.

Ученый секретарь

доктор технических наук, профессор

Стрекопытов Виктор Васильевич

кандидат технических наук, ст. научн. сотр.

Богданов Виталий Петрович

диссертационного совета д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Железнодорожный транспорт является важнейшим из отраслей экономики России. В связи с этим, актуальной задачей является модернизация подвижного состава и создание новых образцов пассажирских, грузовых и рефрижераторных вагонов.

Одним из путей решения этой задачи является совершенствование индивидуальных систем энергоснабжения вагонов, которые на железных дорогах России получили наибольшее распространение.

В последние годы происходит рост мощности потребителей электроэнергии в вагонах. Все это требует увеличения мощности систем энергоснабжения до 12-14 кВт и более. Для таких систем возникает необходимость разработки приводов с повышенными тягово-энергетическими характеристиками.

ВНИИЖТ по договору с ОАО «Рефсервис» проводит работы по созданию фитинговой энергооснащенной платформы с приводом для генератора мощностью 18-20 кВт. РГУПС занимается работами по установке ге-нераторно-приводных установок на автономные рефрижераторные вагоны взамен дизель-генераторной установки. Особенностью этих генераторно-приводных установок является необходимость включения генератора при скоростях около 25 км/ч, вместо 40±3 км/ч для магистральных пассажирских вагонов. Подобные требования предъявляются и к генераторно-приводным установкам пассажирских вагонов поставляемых ОАО «ТВЗ»

для Сахалинской ж.д.

Таким образом, можно отметить, что приводы продолжают внедряться как в пассажирском, так и в грузовом вагоностроении. Причем к требованиям по повышению их надежности и ремонтопригодности добавляются требования по повышению тягово-энергетических показателей и по снижению минимальной скорости включения генератора на номинальную мощность.

Целью диссертационной работы является исследование и создание серии приводов с клиноременной передачей для пассажирских, грузовых и рефрижераторных вагонов с повышенными тягово-энергетическими характеристиками и расширением диапазона включения генератора на номи-

нальную мощность при пониженных скоростях движения вагонов.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

- исследовать характеристики новых типов клиновых ремней, произвести оценку их тяговых и механических свойств в системе автономного энергоснабжения новых типов вагонов, то есть обеспечить научное обоснование выбора клиновых ремней для использования их в приводах вагонных генераторов;

- оценить тяговую способность привода в зависимости от величины начального натяжения для реальных условий эксплуатации вагонов;

- обосновать выбор жесткостных и кинематических параметров приводов и их влияние на величину начального натяжения передачи и тягово-энергетические показатели приводов;

- по результатам проведенных исследований дать практические предложения по усовершенствованию конструкции существующих и созданию новых приводов с повышенными тягово-энергетическими характеристиками и расширенным скоростным диапазоном работы.

Методы исследований и достоверность полученных результатов. Работа основывалась на результатах экспериментальных и теоретических исследований. Методологической основой теоретических исследований являются основные положения теоретической механики, теории передач с гибкой связью, теории вероятности и математической статистики. Экспериментальные исследования выполнялись на специальных стендах и на натурных объектах в эксплуатационных испытаниях на железных дорогах ОАО «РЖД».

Достоверность полученных результатов подтверждается достаточной сходимостью данных расчетов и натурных экспериментов, проводимых в эксплуатационных испытаниях на железных дорогах ОАО «РЖД».

Научная новизна.

•разработан метод оценки предельной тяговой способности клиноре-менных передач приводов вагонных генераторов. Проведена экспериментальная оценка разработанного метода в натурных эксплуатационных испытаниях;

• разработаны методики для сравнительной оценки тяговой способности и ресурса клиновых ремней и определены условия применимости клиновых ремней в приводах вагонных генераторов;

• определено влияние механических и кинематических параметров приводов на показатели тяговой способности и изменения начального натяжения клиноременной передачи в процессе работы привода;

•разработаны генераторно-приводные установки для пассажирских вагонов с системами энергоснабжения повышенной мощности, а также для автономных рефрижераторных вагонов и энергооснащенных платформ для перевозки рефрижераторных контейнеров.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Практическая ценность работы выражена в создании метода оценки предельной тяговой способности клиноременных передач привода вагонных генераторов и его проверке в натурных эксплуатационных испытаниях

опытного пассажирского вагона.

Разработанный комплекс методик экспериментальных оценок тяговой способности и ресурса клиновых ремней новых конструкций, а также исследования влияния механических и кинематических параметров приводов на их тягово-энергетические характеристики позволили получить данные по расширению области применения приводов вагонных генераторов с

клиноременной передачей.

Основные результаты работы использованы ПКБ ЦВ филиал ОАО «РЖД» по оснащению тележки КВЗ-И2 генераторно-приводной установкой для автономного рефрижераторного вагона. Технические рекомендации использованы ОАО «ТВЗ» при разработке вагонов для Сахалинской

Ж.Д.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: V Международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» ПГУПС (2007г.); IV Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития вагоностроения» БГТУ (Брянск 2008г.); VI Международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» ПГУПС (2009г.); VII Международной научно-технической кон-

ференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» ПГУПС (2011г.).

В полном объеме диссертация докладывалась на заседании кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ПГУПС.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 3 в изданиях из списка, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, 5 глав, заключение и список использованных источников, изложена на 130 страницах машинописного текста, в том числе 31 таблица, 25 рисунков, 119 наименований источников.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показано ее краткое содержание и характеристика работы.

В первой главе проведен критический обзор и анализ исследований приводов вагонных генераторов, определены цели и задачи диссертации.

Отмечен значительный вклад в развитие и повышение надежности ре-дукторно-карданных приводов работ Вэе К., Гайденко В.Я., Карогодина И.А., Княжкина В.И., Кудрявцева H.H., Лысенко A.A., Стеринзата Я.М., Узбекова Ш.К., Щепетильникова В.А. и др.

Исследования текстропных приводов рассматривались в работах Алексеева A.A., Бабаева В.М., Гайденко В.Я., ДлоугияВ.В., Доронина И.С., Здрогова В.Б., Львова В.Н., Петракова С.Е., Самошкина С.Л., Челнокова И.И., Чернышева A.A. Эти работы позволили внедрить в производство текстропно-редукторно-карданный (ТРК) и текстропно-карданный (ТК-2) приводы.

В работах Пронина Б.А., Иванова Е.А., Карбасова О.Г., Хабрата Н.И., Самошкина С.Л., Явлинской Р.Г. проведены исследования по повышению надежности и тяговой способности ременных передач приводов.

За рубежом исследованиями приводов с ременной передачей занимались Амидзима С., Есида A., Horovitz В., Jeorghiu N., Lysakovski Е. и др.

Исследованиями Булавина Ю.П., Ворона O.A., Коковихина A.B., Пет-рушина А.Д., Смачного Ю.П. разработана новая концепция рефрижераторного подвижного состава, которая предусматривает замену дизель-

генераторных установок на клиноременные приводы с вентильно-индукторными генераторами (ВИГ) на раме тележки.

Оценка новых потребностей железнодорожного транспорта к индивидуальным генераторно-приводным установкам вагонов и анализ проведенных исследований в этой области за последние 30 лет позволили сформулировать цель диссертационной работы и определить задачи для ее решения.

Во второй главе приведены результаты исследований по выбору клиновых ремней для использования в приводах вагонных генераторов, выполненные по методикам, разработанным автором.

Испытаниям подвергались новые кордшнуровые ремни отечественного и зарубежного изготовления: типа SPB (УБ) и С (В) производства ЗАО «Ярославльрезинотехника», типа ХРВ и ХРС фирмы A/S «Roulands Fabriker» (Дания), разъемные клиновые ремни профиля «С» типа Rocon (Дания), типа В(Б) фирмы «Optibelt» (Германия), профиля 17x11 и 22x14 (соответствует типам В и С ГОСТ1284) фирмы «PIX» (Индия).

Оценка тяговой способности проводилась по кривым скольжения - зависимости коэффициента тяги (у) от скольжения При этом зона упругого скольжения характеризовалась коэффициентами уА и Ça, а буксования

- УБ И ÇB-

По результатам тяговых испытаний строились тяговые характеристики в виде графиков (рис.1). Затем определялись отношения натяжений в ведущих и ведомых ветвях при буксовании

1+^Б

= О)

и находились физический (/) и приведенный (/') коэффициенты трения клиновых ремней по канавкам шкива

J /ж In тБ ' 2

где: Оо - угол канавки ведомого шкива (табл. 1).

1%

5,0 4.0

3,0 &

2,0 &

1,0

Режим испытаний М40т, Р^ЗбОН, п=1450об/мин - ж ¡ксо- тя

\

Й

А \ 4>л % Б V VI /и

п

0,95 0,9

0,85 0.8

0,1 0,2 0,3 0.4 0,5 0,6 0,7 0,8 0.9 V Рис. 1 Тяговые характеристики ремня С(В) - 2360Ш

Таблица 1

Значения коэффициентов трения (/' и /) клиноременных передач новых

типов

Тип ремня 8РВ(УБ) ЗАО«ЯРТ» С(В)-Ш ЗАО«ЯРТ» С «Яосоп» В(Б)-Ш «ОрйЪеЙ» 17x11 «Р1Х» 22x14 «Р1Х» ХРВ «Кои1ши1 РаЬпкег» ХРС «11ои1ипс1 БаЬпкег»

Шб 6,41 7,33 12,33 5,67 12,33 12,33 32,33 39

Г 0,59 0,63 0,80 0,55 0,80 0,80 1,11 1,17

/ 0,17 0,18 0,23 0,16 0,23 0,23 0,32 0,34

Сравнительная оценка долговечности ремней проводилась на специальных стендах с передачей мощности, а результаты приведены в табл.2.

Эксплуатационные испытания проводились в 2003- 2007 годах на Октябрьской и Горьковской железных дорогах. Испытания проводились по программе-методике, утвержденной ОАО «РЖД» в соответствии с приказом руководителя Дирекции по обслуживанию пассажиров (ДОП) железной дороги.

Минимальное число комплектов одного типа ремней выбиралось не менее 10 и испытания проводились до выхода из строя всех комплектов ремней одного типа.

Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:

б

- наибольшей тяговой способностью, стендовым и эксплуатационным ресурсом обладают узкие клиновые ремни без обертки рабочих поверхностей и с формованным зубом на нижнем основании ремня, типа

ХРВ и ХРС;

- классические клиновые ремни имеют коэффициент трения по рабочим поверхностям шкивов в диапазоне значений от 0,17 до 0,23, а узкие клиновые ремни без обертки рабочих поверхностей соответственно - 0,32

-0,34.

Таблица 2

Результаты стендовых испытаний кордшнуровых приводных ремней по

Изготовитель (страна) Типоразмер Наработка, час Удлинение, % Причина разрушения

min max min max

ЗАО «ЯРТ» (Россия) SPB-2500 157 314 0,3 0,4 Испытания прекращены (без дефектов)

:(В) - 2360Ш 185 370 0,2 0,3

«Rocon» ( Пания) С 164 328 1,2 1,4 Трещины в слое сжатия

«Optibelt» (Германия) С(В)-2360Ш 385 432 0,2 0,4 Трещины в слое сжатия

В(Б)-2500Ш 368 445 0,15 0,25

«PIX» (Индия) 22x11x2360 370 0,4 Испытания прекращены (без дефектов)

17x11x2500 340 о,з

«Roulunds Fabriker» (Дания) ХРС 2360 220 320 0,8 0,9 Испытания прекращены (без дефектов)

ХРВ 2500 220 370 0,8 0,9

В третьей главе разработан метод, проведена оценка тяговой способности привода от величины начального натяжения ременной передачи. При разработке метода использовалось видоизмененное уравнение Эйлера, приведенное в работах Пронина Б.А. для оценки тяговой способности.

В общем случае тяговая способность ременной передачи определяется фрикционными свойствами рабочих поверхностей ремня и шкива (/ или /'), скоростью ремня (Ур), углом обхвата (а*), передаточным отношением (и0), величиной межосевого расстояния (А) и диаметром ведомого

шкива (ё8М). В ряде конструкций приводов подвеска ведомого шкива выполнена таким образом, что в процессе изменения нагрузки на генератор происходит изменение величины начального натяжения (Р0). Величина изменения ДБо в процессе работы передачи зависит от скорости движения вагона (Ув) и мощности реализуемой на ведомом шкиве (Ывм).

Установлено, что в общем виде величина АР0 любой клиноремен-ной передачи привода определяется зависимостью:

/ \

ДР0 = 6-97,5. ^

ЖР

/22

Жр -11 + Ж„р

М У

V.

(3)

где: Ок - диаметр круга катания колеса вагона (м); Ввщ- диаметр ведущего шкива (м); Жр и Жпр - жесткость комплекта ремней и пружины натяжного устройства (Н/мм); Ь и 12 - гшечи действия усилий начального натяжения передачи и усилия на пружине (м).

Все входящие в зависимость (3) величины, кроме Ывм и V,,, являются постоянными и зависят от кинематических характеристик привода. Обозначая их константой К получаем параметр который является характеристикой привода с точки зрения изменения АР0 в процессе работы.

С помощью разработанного метода была проведена оценка тяговой способности новых клиноременных приводов от середины оси колесной пары для генератора, шарнирно закрепленного вместе с ведомым шкивом на раме тележки. Определено, что привод указанной кинематической схемы позволяет реализовать на ведомом шкиве мощность 20кВт при минимальной скорости движения вагона от 40км/ч и / = 0,25.

Для проверки данного метода были проведены тягово-энергетические испытания приводов и системы энергоснабжения в эксплуатации. Испытания проводились на пассажирском вагоне, оборудованном новой генераторно-приводной установкой в составе поезда Москва -Пермь - Москва. 1

Согласно программе испытаний при различных значениях мощности системы замерялись: усилие на винте натяжного устройства, обороты ведущего шкива и обороты ведомого шкива.

Анализ результатов испытаний вагона с опытной двухгенераторной приводной установкой и двумя клиноременными приводами от середины оси колесной пары показал, что:

- величина начального натяжения и скольжения соответствуют расчетным данным. Наибольшая величина скольжения не превышает 2% что соответствует нормативным требованиям по ГОСТ 1284;

- изменение начального натяжения, вызванного воздействием реактивного момента от шарнирно подвешенного генератора, не превышает 0,8 кН при скоростях движения вагона в диапазоне 35-50км/ч и максимальной мощности генератора 16 кВт;

- разница расчетных и экспериментальных данных составляет по величине AF0 в диапазоне от 4,5 до 6%, а по величине мощности не более 8,5%.

В четвертой главе определены и обоснованы жесткостные и кинематические параметры элементов перспективных приводов. В качестве модели исследований был выбран опытный привод с клиноременной передачей от середины оси колесной пары и генератором мощностью 16кВт, размещенным на раме тележки - TCO-16Т.

В общем случае жесткость комплекта ременной передачи зависит

от приведенного модуля упругости ремней Ер пр (См. табл. 3).

Таблица 3

Параметры жесткости ременной передачи привода.

Обозначение ремня 77 ^р.пр . МПа жр, Н/мм Жд, Н/мм

С(В) - 3200Т 280 830 460

С(В) - 3200Ш 535 1590 880

ХРС - 3200 965 2520 1400

А = 0,96м (межцентровое расстояние)

Установлено, что увеличение Жд в новых ремнях благоприятно сказывается на тяговой способности и долговечности, но увеличивает К, а следовательно и ДБо.

Увеличение Жпр приводит к уменьшению К, а следовательно и уменьшению АБо (табл.4).

Уменьшение К с ростом Жпр происходит нелинейно и не пропорционально. Так изменение жесткости пружины от 105 до 400 Н/мм, то есть почти в 4 раза привело к уменьшению К от 2057 до 1258 или всего на 39%.

Таблица 4

Изменение К от жесткости пружины натяжного устройства.

Жпр, Н/мм 75,0 105,0 200 300 400 500 600 675

Кпр 2199 2057 1708 1450 1258 1111 996 923

Жд = 880Н/мм

Для снижения влияния колебаний виляния колесной пары на К и АБо желательно иметь Жд ~ Жпр. Однако это трудно сделать, так как Жд зависит от ЕрМр, а последняя при этом постоянно увеличивается.

Проведенные исследования влияния Ь и 12 на К и АР0 показали, что их увеличение желательно, но ограничено габаритными очертаниями подвижного состава. При этом от соотношения величин 1) и 12 зависит величина начального натяжения передачи. Также соотношение 11 и 12 влияет на величину изменения начального натяжения в процессе работы передачи из-за вытяжки ремней и технологии изготовления. При этом влияние вытяжки ремней на уменьшение натяжения передачи минимально, если выполняется следующие условия 1, = 12 или 1, > 12, то есть используется более длинная подвеска генератора.

Исследовались влияние допусков размеров деталей натяжного устройства на величину начального натяжения. В результате предложен вероятностный расчет размерных цепей, уточняющий реальную величину Р0, и позволяющий приблизить ее к нормативным значениям.

Поскольку клиноременная передача приводов вагонных генераторов изготавливается многоручьевой, то специально исследовалась неравномерность нагружения ремней в комплекте. Она вызвана тем, что ремни одного комплекта всегда имеют различия между собой по геометрическим размерам, упругим характеристикам, имеются различия в размерах канавок

шкивов, а также перекос осей вращения шкивов передачи.

Было установлено, что для отечественных кордтканевых ремней и ремней типа «К.осоп» наибольшую величину неравномерности нагружения вызывают отклонения параметров ремней (от 68 до 78%), а для кордшну-ровых ремней импортного производства преобладают отклонения параметров шкивов и передачи (от 61 до 69%).

По результатам исследований был сделан вывод, что для новых кордшнуровых ремней, изготовленных по современным технологиям, необходимо ужесточение допусков на изготовление канавок многоручьевых шкивов и монтажные работы при установке привода на тележке.

В пятой главе представлено практическое приложение полученных результатов. Даны предложения по приводам с новыми тягово-энергетическими характеристиками, полученные в результате проведенных исследований.

Так привод ТК-2 предлагается модернизировать по следующим направлениям:

- оборудовать комплектом из кордшнуровых ремней типа В(Б)-2500Ш для номинальной мощности системы 8 кВт и узкими клиновыми ремнями типа ХРВ-2500 для мощности 12,5 кВт;

- увеличить жесткость пружины натяжного устройства с 75 до 100 Н/мм;

- изменить соотношение плеч действия усилий и сделать их равными, то есть 1] = 12 = 240 мм;

- увеличить начальное натяжение клиноременной передачи до 4,1 кН.

Такой модернизированный привод получил обозначение ТК-2(12,5). Использование клиновых ремней с формованным зубом классического сечения ВХ-2500 позволяет уменьшить диаметр ведомого шкива со 140 до 87,5 мм. При этом привод с ведомым шкивом 87,5 мм обеспечивает включение генератора на номинальную мощность при скорости движения вагона 25 км/ч. Этот привод получил обозначение ТК-2Н, то есть низкоскоростной.

Предельные значения мощности на ведомом шкиве приводов по схеме ТК-2 приведены в табл. 5.

Таблица 5

Предельные значения механической мощности на ведомом шкиве для вариантов приводов по схеме ТК-2 при минимальных скоростях движения

вагона.

У„, км/ч Н,„, кВт

ТК-2 ТК-2(12,5) ТК-2Н

40 ~ 10,0 17,3 17,15

25 6,25 10,8 10,7

В приводе ТРК для обеспечения съема номинальной мощности при скорости 30 км/ч предлагается использовать новые клиновые ремни ХРС-2360, увеличить жесткость основной пружины натяжного устройства до 100 Н/мм. Таким приводом (ТРК-Н) была оборудована серия вагонов (30 шт.) для Сахалинской железной дороги, эксплуатация которых продолжается до настоящего времени.

В процессе эксплуатации появилась необходимость получения номинальной мощности генератора при скорости движения около 25 км/ч. Эта задача также была решена на основе выполненных исследований. У привода ТРК был увеличен диаметр ведущего шкива до 340 мм, клиновые ремни были заменены на более длинные (2500 мм). Такой привод (ТРК-НМ) включается в работу при номинальном режиме при скорости движения вагона 25 км/ч. Характеристики новых приводов на базе привода ТРК приведены в табл. 6.

Таблица 6

Предельные значения механической мощности на ведомом шкиве для ва-

риантов привода ТРК при минимальных скоростях движения вагона.

Ув, км/ч Ведущая ветвь К», кВт

ТРК ТРК-Н ТРК-НМ

40 Верхняя 11,4 25,9 30,6

Нижняя 7,2 11Д 13,3

30 Верхняя 8,6 19,4 22,9

Нижняя 5,4 8,3 10

25 Верхняя 7,2 16,2 19,1

Нижняя 4,5 6,9 8,3

Для создания более мощных приводов было предложено модерни-

зировать привод ТСО-16Т:

- для автономных рефрижераторных вагонов и фитинговых платформ потребовалась генератороно-приводная установка для получения мощности 20 кВт, начиная со скорости движения 25 км/ч. По результатам исследований было предложено в опытном приводе заменить в клиноре-менной передаче ремни на СХ-3200, уменьшить диаметр ведомого шкива до 140 мм, увеличить жесткость пружины натяжного устройства до 150 Н/мм и уравнять величины плеч 1, и 12. Такой привод получил обозначение ТСО-20ТН;

- для пассажирских вагонов с мощностью генератора 20-22 кВт, выводы, полученные в диссертации, позволили эту задачу решить только за счет замены в приводе ремней на ХРС (он получил обозначение ТСО-20ТМ). Предельные значения мощности на ведомом шкиве приводов по схеме ТСО-16Т приведены в табл. 7.

Таким образом, проведенные исследования и полученные результаты позволяют создавать приводы различных кинематических схем обеспечивающих получения в вагонах мощности до 40 кВт (на две приводные тележки) начиная со скоростей движения 25 км/ч.

Таблица 7

Предельные значения механической мощности на ведомом шкиве для ва-

риантов привода ТСО при минимальных скоростях вагонов.

VB, км/ч Ведущая ветвь ТСО-16Т ТСО-20ТМ ТСО-20ТН

25 Верхняя 17 33,8 32,5

Нижняя 10,5 17,4 22,5

40 Верхняя 27,2 54 52,1

Нижняя 16,8 27,8 28

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В настоящее время на железных дорогах России и стран СНГ наибольшее распространение получили вагоны с автономной системой электроснабжения. Одним из основных элементов таких систем является привод вагонного генератора.

2. Анализ развития отечественных и зарубежных приводов вагонных генераторов пассажирских вагонов показал, что в последнее время

предпочтение отдается приводам с клиноременной передачей, состоящей из нескольких ремней. В настоящее время такие приводы начинают использовать при создании энергооснащенных платформ для рефрижераторных контейнеров. Эта область применения автономных приводов практически не изучена, поэтому изучение и совершенствование приводов с клиноременной передачей для вагонов превращается в необходимую и актуальную задачу.

3. Разработан уточненный метод оценки тягово-энергетических характеристик приводов с клиноременной передачей, шарнирной подвеской ведомого шкива и пружинно-винтовым натяжным устройством. Этот метод отрабатывали на типовом перспективном приводе от середины оси колесной пары ТСО-16Т. Полученные результаты, лабораторные и натурные ходовые тягово-энергетические испытания привода показали, что этот метод дает приемлемую точность и необходимую достоверность. Разница по мощности в диапазоне нагрузок генератора от 0 до 14 кВт не превосходила 0,5кВт, а по скорости движения вагона в диапазоне от 40 до 130 км/ч составила 3-4км/ч.

4. Разработаны экспериментальные методики исследования клиновых ремней на тяговую способность и ресурс. В результате проведенных исследований установлено:

- наибольшей тяговой способностью обладают узкие клиновые ремни без обертки рабочих поверхностей и с формованным зубом на нижнем основании ремня типа ХРВ и ХРС;

- классические клиновые ремни имеют коэффициент трения по рабочим поверхностям шкивов в диапазоне значений от 0,17 до 0,23;

- узкие клиновые ремни без обертки рабочих поверхностей имеют наибольшие значения коэффициента трения по рабочим поверхностям серийных шкивов величина которого лежит в пределах от 0,32 - 0,34;

5. Проведенные исследования многоручьевых клиноременных передач (МКП) показали, что наибольшее влияние на неравномерность распределения начального натяжения в МКП приводов вагонных генераторов оказывают разница длин и модуля упругости ремней комплекта, разница расчетных диаметров канавок шкивов и перекос их осей вращения:

- для отечественных серийных ремней в общей неравномерности Аса наибольшую долю составляют отклонения параметров ремней МКП, а именно разница длин и модуля упругости ремней комплекта (от 68 до 75%);

- для узких клиновых ремней, изготовленных по новым технологиям и обладающих повышенными механическими характеристиками наибольшую долю составляют отклонения параметров шкивов и передач (61 до 69%);

6. Допуски на размеры пружины и контрольный размер сжатой пружины оказывают наименьшее влияние на рассеивание начального натяжения в процессе монтажа при соотношении плеч действия усилий ременной передачи и пружины в пределах 1] и 12.

7. Удлинение ремней в процессе работы оказывают наименьшее влияние на натяжение ременной передачи при соотношении плеч действия усилий ременной передачи и пружин в пределах 1[ > 12.

8. Предложенные по результатам исследований в диссертации приводы с повышенными тягово-энергетическими и новыми эксплуатационными показателями предназначены и используются на следующих типах пассажирских и грузовых вагонах:

- пассажирские вагоны без кондиционирования воздуха с повышенным уровнем мощности систем энергоснабжения оборудуются приводами ТК-2 (12,5) или ТСО-16Т;

- пассажирские вагоны прошедшие КВР и оснащенные новыми системами кондиционирования воздуха оборудуются двумя приводами (на каждой тележке) ТК-2 (12,5) или одним приводом ТШ-20ТМ;

- пассажирские вагоны для Сахалинской железной дороги оборудуются приводами ТРК-Н, ТРК-НМ или ТК-2Н;

- автономные рефрижераторные вагоны и фитинговые энергоосна-щенные платформы для перевозки рефрижераторных контейнеров оборудуются приводами ТСО-20ТН.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

печатных работах:

1. Клыков В.Е., Соловьев С.А., Самошкин О.С. Исследование влияния технологических параметров кдиноременных передач приводов вагонных генераторов на распределе-

ние начального натяжения между ремнями/ В.Е. Клыков, С.А. Соловьев, О.С. Самошкин //Вестник Тверского государственного технического университета - Тверь,- ТГТУ, 2006. -Вып. 8.-с.208-211.

2. Соловьев С.А., Самошкин О.С. Исследование возможности использования разъемных клиновых ремней в приводах вагонных генераторов от средней части оси колесной пары. / С.А. Соловьев, О.С. Самошкин// Вестник Тверского государственного технического университета - Тверь,- ТГТУ, 2006. -Вып. 9. - с. 19-21.

3. Самошкин О.С. Исследование предельных тягово-энергстических характеристик клиноременных приводов от середины оси колесной пары /О.С. Самошкин // «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» V Международ, научн.-техн. конф. тез. докл.- СПб., ПГУПС, 2007. -с. 137 -138.

4. Самошкин О.С. Определение коэффициента трения клиноременных передач приводов вагонных генераторов / О.С. Самошкин // Межвуз. сб. научн. тр. «Механика и физика процессов на поверхности и в контакте твердых тел и деталей машин». - Вып. 1 -Тверь, ТГТУ, 2008.-е. 86-89.

5. Самошкин О.С. Влияние жесткостных характеристик элементов приводов с клино-ременной передачей на изменение натяжения ременных передач приводов вагонных генераторов /О.С. Самошкин//Вестник РГУПС, 2008. №3(31). -с. 59-63.

6. Самошкин О.С. Генераторно-приводные установки для пассажирских вагонов Сахалинской железной дороги на базе привода ТРК / О.С. Самошкин// «Проблемы и перспективы развития вагоностроения» Г/ Всероссийская научно-практическая конференция. Тез. докл. -Брянск, БГТУ, 2008. - с.97-99.

7. Ворон O.A., Самошкин СЛ., Соловьев С.А., Самошкин О.С. Генераторно-приводные установки автономных платформ рефрижераторных вагонов и фитинговых платформ для перевозки скоропортящихся грузов // O.A. Ворон, C.JI. Самошкин, С.А. Соловьев, О.С. Самошкин// Вестник РГУПС, 2009,№2(34), с. 23-29.

8. Самошкин О.С., Соловьев С.А. Экономические аспекты внедрения новых клиновых ремней в приводах вагонных генераторов/ О.С. Самошкин, С.А. Соловьев// «Проблемы и перспективы развития вагоностроения» V Всероссийская научно-практическая конференция. Тез. докл. - Брянск, БГТУ, 2010.-е 43-45.

9. Самошкин О.С. Совершенствование генераторно-приводных установок пассажирских вагонов. Железнодорожный транспорт. №10,2011г., - с 56-59

10. Самошкин О.С. Увеличение мощности и расширение скоростного диапазона клиноременных приводов вагонных генераторов. /О.С. Самошкин // «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» VII Международ, научн.-техн. конф. тез. докл.- СПб., ПГУПС, 2011.-е. 146-148.

Подписано к печати 22.11.2011 г. Печат.л. -1,0

Печать - ризография Бумага для множит, апп. Формат 60x84 1/16

Тираж 100 экз. Ьахвц. ___

ПГУПС 190031, г. С-Петербург, Московский пр., 9

61 12-5/1301

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРИВОДОВ С КЛИНОРЕМЕННОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ДЛЯ СИСТЕМ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ВАГОНОВ

Специальность 05.22.07 Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и

электрификация

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах т/к-ппиои

Самошкин Олег Сергеевич

Научный руководитель: доктор технических наук профессор Чурков Н.А.

Санкт - Петербург 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1. КРИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИВОДОВ ВАГОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 10

1.1 Обзор и анализ исследований по приводам вагонных генераторов 10

1.2 Цель и задачи исследований 21

2. ПОДБОР КЛИНОВЫХ РЕМНЕЙ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПРИВОДАХ ВАГОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ 23

2.1 Определение тяговой способности 23

2.2 Оценка стендового ресурса 33

2.3 Эксплуатационная проверка долговечности клиновых ремней 37

2.4 Исследование разъемных клиновых ремней на возможность использования их в приводах от середины оси колесной пары 40 Выводы и рекомендации 42

3. ОЦЕНКА ЗАВИСИМОСТИ ТЯГОВОЙ СПОСОБНОСТИ ПРИВОДА ОТ ВЕЛИЧИНЫ НАЧАЛЬНОГО НАТЯЖЕНИЯ ПЕРЕДАЧИ 44

3.1 Расчетный метод оценки тяговой способности привода 45

3.2 Предельные показатели тяговой способности привода 48

3.3 Расчетная оценка изменения натяжения ременной передачи при работе привода под нагрузкой 49

3.4 Эксплуатационные тягово-энергетичекие испытания 56 Выводы и рекомендации , 65

4. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ЖЕСТКОСТНЫХ И КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИВОДОВ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ВЕЛИЧИНУ НАЧАЛЬНОГО НАТЯЖЕНИЯ КЛИНОРЕМЕННОЙ

ПЕРЕДАЧИ 67

4.1 Выбор жесткости ремней 67

4.2 Определение жесткости пружин натяжного устройства 70

4.3 Установление геометрических размеров элементов подвески генерато-

73

ра

4.4 Оценка влияния технологических и эксплуатационных факторов на величину начального натяжения ременной передачи 76

4.5 Анализ влияния отклонений параметров элементов привода на неравномерность натяжения ремней передачи 82 Выводы и рекомендации 88 5. ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ КОНСТРУКЦИЙ СУЩЕСТВУЮЩИХ И СОЗДАНИЮ НО-ВЫХПРИВОДОВ С ПОВЫШЕННЫМИ тягово-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ 90

5.1 Приводы на базе кинематической схемы текстропно-карданного при-

90

вода от торца оси УК)

5.2 Приводы на базе кинематической схемы текстропно-редукторно-

карданного привода от торца оси 94

5.3 Приводы на базе кинематической схемы текстропного привода от сере-

99

дины оси колесной пары уу

Выводы и рекомендации

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 104

ЛИТЕРАТУРА 109

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Железнодорожный транспорт является важнейшим из отраслей экономики России. В связи с этим; актуальной задачей является модернизация подвижного состава и создание новых образцов грузовых, рефрижераторных и пассажирских вагонов.

Одним из путей решения этой задачи является совершенствование индивидуальных систем энергоснабжения вагонов, которые на железных дорогах России получили наибольшее распространение.

В последние годы происходит рост мощности потребителей электроэнергии в вагонах. Все это требует увеличения мощности систем энергоснабжения до 12-14 кВт и более. Для таких систем возникает необходимость разработки приводов с повышенными тягово-энергетическими характеристиками.

ВНИИЖТ по договору с ОАО «Рефсервис» проводит работы по созданию фитинговой энергооснащенной платформы с приводом для генератора мощностью 18-20 кВт. РГУПС занимается работами по установке генератор-но-приводных установок на автономные рефрижераторные вагоны взамен дизель-генераторной установки. Особенностью этих генераторно-приводных установок является необходимость включения генератора при скоростях около 25 км/ч, вместо 40±3 км/ч для магистральных пассажирских вагонов. Подобные требования предъявляются и к генераторно-приводным установкам пассажирских вагонов поставляемых ОАО «ТВЗ» для Сахалинской ж.д.

Таким образом, можно отметить, что приводы продолжают внедряться как в пассажирском, так и в грузовом вагоностроении. Причем к требованиям по повышению их надежности и ремонтопригодности добавляются требования по повышению тягово-энергетических показателей и по сниже-

нию минимальной скорости включения генератора на номинальную мощность.

Целью диссертационной работы является исследование и создание серии приводов с клиноременной передачей для пассажирских, грузовых и рефрижераторных вагонов с повышенными тягово-энергетическими характеристиками и расширением диапазона включения генератора на номинальную мощность при пониженных скоростях движения вагонов.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

- исследовать характеристики новых типов клиновых ремней, произвести оценку их тяговых и механических свойств в системе автономного энергоснабжения новых типов вагонов, то есть обеспечить научное обоснование выбора клиновых ремней для использования их в приводах вагонных генераторов;

- оценить тяговую способность привода в зависимости от величины начального натяжения для реальных условий эксплуатации вагонов;

- обосновать выбор жесткостных и кинематических параметров приводов и их влияние на величину начального натяжения передачи и тягово-

энергетические показатели приводов;

- по результатам проведенных исследований дать практические предложения по усовершенствованию конструкции существующих и созданию новых приводов с повышенными тягово-энергетическими характеристиками и расширенным скоростным диапазоном работы.

Методы исследований и достоверность полученных результатов.

Работа основывалась на результатах экспериментальных и теоретических ис-

следований. Методологической основой теоретических исследований являются основные положения теоретической механики, теории передач с гибкой связью, теории вероятности и математической статистики. Экспериментальные исследования выполнялись на специальных стендах и на натурных объектах в эксплуатационных испытаниях на железных дорогах ОАО «РЖД».

Достоверность полученных результатов подтверждается достаточной сходимостью данных расчетов и натурных экспериментов, проводимых в эксплуатационных испытаниях на железных дорогах ОАО «РЖД».

Научная новизна.

• разработан метод оценки предельной тяговой способности кли-ноременных передач приводов вагонных генераторов. Проведена экспериментальная оценка разработанного метода в натурных эксплуатационных испытаниях;

• разработаны методики для сравнительной оценки тяговой способности и ресурса клиновых ремней и определены условия применимости клиновых ремней в приводах вагонных генераторов;

• определено влияние механических и кинематических параметров приводов на показатели тяговой способности и изменения начального натяжения клиноременной передачи в процессе работы привода;

• разработаны генераторно-приводные установки для пассажирских вагонов с системами энергоснабжения повышенной мощности, а также для автономных рефрижераторных вагонов и энергооснащенных платформ для перевозки рефрижераторных контейнеров.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Практическая ценность работы выражена в создании метода оценки

предельной тяговой способности клиноременных передач привода вагонных генераторов и его проверке в натурных эксплуатационных испытаниях опытного пассажирского вагона.

Разработанный комплекс методик экспериментальных оценок тяговой способности и ресурса клиновых ремней новых конструкций, а также исследования влияния механических и кинематических параметров приводов на их тягово-энергетические характеристики позволили получить данные по расширению области применения приводов вагонных генераторов с клиноре-

менной передачей.

Основные результаты работы использованы ПКБ ЦВ филиал ОАО «РЖД» по оснащению тележки КВЗ-И2 генераторно-приводной установкой для автономного рефрижераторного вагона. Технические рекомендации использованы ОАО «ТВЗ» при разработке вагонов для Сахалинской ж.д.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: V Международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» ПГУПС (2007г.); IV Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития вагоностроения» БГТУ (Брянск 2008г.); VI Международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» ПГУПС (2009г.); VII Международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» ПГУПС (2011г.).

В полном объеме диссертация докладывалась на заседании кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ПГУПС.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 3 в

изданиях из списка, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, 5 глав, заключение и список использованных источников, изложена на 130 страницах машинописного текста, в том числе 31 таблица, 25 рисунков, 119 наименований источников.

1. КРИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИВОДОВ ВАГОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

За более чем вековую историю развития автономных систем энергоснабжения было разработано и внедрено на подвижном составе большое количество разнообразных приводов вагонных генераторов. Конструкции этих приводов подробно описаны в отечественной и мировой литературе [1], [4], [7], [10], [14], [15], [31], [42], [49], [65], [66], [82], [92], [93].

1.1 Обзор и анализ исследований по приводам вагонных генераторов.

Исследования приводов вагонных генераторов начались с начала внедрения на пассажирских вагонах индивидуальных систем энергоснабжения. Задачи и объем исследований изменялись в зависимости от хозяйственных потребностей и от развития кинематических схем приводов.

Впервые исследования приводов начал Шиманский C.B. Он провел исторический анализ применяющихся систем освещения и приводных установок, провел оценку способов отбора мощности от оси колесной пары и конструкции приводов [97], [109].

Анализу конструктивных схем приводов вагонных генераторов посвящены исследования [16], [91].

Первые комплексные исследования приводов вагонных генераторов на математической модели выполнил Княжкин В.И.. Исследуя динамические процессы в узлах привода, автор установил основные факторы, вызывающие динамические нагрузки на вагонный генератор, он получил основные закономерности и расчетные значения динамических показателей [32].

Исследования Карагодина И.А. [29], [30], [31] были направлены на решение вопросов, связанных с улучшением условий передачи крутящего момента в редукторно-карданных приводах. В результате исследований появилась предохранительная муфта, которая автоматически включала и отключа-

ла генератор на заданной скорости движения, предохраняла привод от внезапных перегрузок на карданном валу и регулировала в эксплуатационных условиях величину передаваемого крутящего момента от оси колесной пары к генератору.

Большие исследования по редукторно-карданным приводам вагонных генераторов выполнены в Московском институте инженеров транспорта (МИИТ) под руководством Щепетильникова В.А. Так, в работах Лысенко А.А. [40], [41], [42], [98], [99] на основе качественного и количественного анализа статистических данных об эксплуатации приводов вагонных генераторов установлены характерные неисправности основных узлов и причины их возникновения. Им определены критические силы и моменты, вызывающие мгновенные отказы (заломы, разрушения) деталей привода с учетом перемещений редуктора и генератора.

Исследованиям новых конструкций редукторно-карданных (РК) приводов посвящены работы [94], [95], [96], [100], [101], [102], [103], [104], выполненные в МИИТе и Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ), направленные на доработку существующих конструкций.

Исследованию нагруженности и работоспособности РК приводов от торца оси посвящены работы [88], [89], [90]. В этих работах проводиться сопоставление приводов редукторно-карданных (РК) от торца оси с приводами текстропно-редукторно-карданными (ТРК), имеющими клиноременную передачу.

Теоретические исследования приводов от торца оси колесной пары на базе планетарного редуктора выполнены в Белорусском институте железнодорожного транспорта (Бел ИЖТ), были определены основные кинематические параметры нового привода, однако эти исследования не были проверены на опытном образце в эксплуатационных условиях [37], [38], [39], [44], [115].

В МИИТе и ВНИИЖТ исследования касались совершенствования РК приводов от середины оси мощностью до 30 кВт [84], [85], [96], [100], [105], [106]. При этом уделялось особое внимание анализу работоспособности и на-груженности приводов в эксплуатации [10], [44], [87]. На основе выполненных исследований были усовершенствованы РК приводы от средней части оси колесной пары. Так в работе [82] предложена, исследована и конструктивно проработана конструкция нового способа подвески редуктора, представляющая собой механизм двойного шарнирного параллелограмма.

В Тверском институте вагоностроения (ТИВ) и Петербургском государственном университете путей сообщения (ПГУПС) исследовались приводы вагонных генераторов с клиноременной передачей для систем энергоснабжения пассажирских вагонов мощностью 8-10 кВт [21].

Работы в ТИВе, велись в двух направлениях:

- в создании натяжных устройств устраняющих влияние реактивного момента на натяжение передачи;

- по изменению подвески редуктора.

Полученные результаты позволили найти способы стабилизировать натяжение передачи и уравнять его между направлениями вращения, а также обеспечить получение в системе энергоснабжения мощности 8 кВт при скоростях движения вагона более 50 км/ч [22], [23], [61].

В ПГУПС были проведены анализ и классификации схем существующих и разрабатываемых конструкций приводов [1], [14]. По результатам стендовых и эксплуатационных испытаний ТРК привода даны рекомендации по модернизации конструкции и решению ряда вопросов по технологии ремонта и содержания [2], [24], [25], [26]. Исследовались также особенности отбора мощности от оси [14], редуктора [19] и др., изучались электромеханические процессы в ТРКП и резонансные крутильные колебания в системе привод-генератор [2], [3]. Проведенные исследования показали, что схема привода ТРК не позволяет довести его конструкцию до современных требований по тяговой способности, работоспособности и долговечности. Поэтому

был признан необходимым поиск новых схем и конструктивных решений приводов [20]. Была отмечена также недостаточная долговечность клиноре-менной передачи. Так, по данным работы [48] она составляет в эксплуатации в среднем около 80 тыс. км пробега. Вместе с тем, в работе [27] отмечалось, что при качественном обслуживании привода долговечность ремней в приводе ТРК может быть доведена до 120 тыс. км.

Состояние резино-технической промышленности в анализируемое время не позволило решить проблемы тяговой способности и долговечности ременных передач приводов вагонных генераторов на базе кинематической схемы ТРК привода.

Поэтому их решение проводилась путем выбора новых кинематических схем приводов. Предпосылками для таких работ явилось создание на Рижском электромеханическом заводе (РЭЗ) низкооборотных генераторов. На основе исследований ПГУПС был предложен безредукторный привод вагонного генератора от торца оси типа ТК-2, который обеспечивал межремонтный пробег пассажирских вагонов до 130-150 тыс. км.

Последующие исследования в ТИВе этого привода подтвердили его основные преимущества по сравнению с ТРК, и этот привод был рекомендован для внедрения. Однако, как показала последующая эксплуатация, использование привода ТК-2 не позволила считать проблему создания унифицированного и надежного привода решенной задачей, так как применение в приводе ТК-2 многих узлов от привода ТРК (подвеска генератора, карданный вал, узел установки ведущего шкива и т.д.) существенно снизили его надежность. Не до конца была решена и проблема долговечности клиноременной передачи. По данным эксплуатационных испытаний, хотя долговечность ремней по первым полным наработкам в приводе ТК-2 по сравнению с ТРКП и выше (примерно от 15 до 50%), однако, она все равно редко превышала 100 тыс. км. [72].

Дальнейшие исследования по поиску новых кинематических схем приводов вагонных генераторов велись в двух направлениях [12], [13], [28], [57]:

- в ПГУПСе разрабатывалась конструкция буксового редукторного привода с высокооборотным генератором мощностью до 5 кВт;

- в ТИВе и на Тверском вагоностроительном заводе (ТВЗ) велись работы по плоско